Состав термостойкого блочного заряда и способ его получения

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к разработке состава для термостойкого блочного заряда (ТБЗ), используемого для интенсификации и добычи нефти, и способа его изготовления. Согласно изобретению состав термостойкого блочного заряда включает окислитель, горюче-связующее (смесь термоэластопласта и полистирола) и добавки. Способ получения термостойкого блочного заряда представляет собой последовательность операций: предварительно горюче-связующее растворяют в легколетучем растворителе, затем проводят смешение полученного раствора с окислителем и добавками, предварительное прессование для удаления части растворителя, формирование заряда проходным прессованием с последующим провяливанием и сушкой заряда. Изобретение направлено на разработку состава для блочного заряда с высоким уровнем термостойкости и способа получения блочного заряда, а также на упрощение технологического процесса и повышение его безопасности за счет снижения давления прессования. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к разработке состава для термостойкого блочного заряда (ТБЗ), используемого для интенсификации добычи нефти, и способа его изготовления.

Для нефтяных скважинных систем, работающих при температуре до 100^oС, применяются заряды из нитратцеллюлозных порохов. Так, например, для пулевых перфораторов применяются заряды из штатного пироксилинового пороха (ПП) марки 4/7 и баллиститного пластинчатого пороха марки НБ Пл 14-10. [Термостойкие взрывчатые вещества и их действие в глубоких скважинах. - М.: Недра, 1969, с. 120]. В пороховых генераторах давления для стимуляции нефтегазовых скважин используются цилиндрические заряды из баллиститных ракетных твердых топлив (марок РСИ-12, РСИ-60, РНДСИ-5И, ДГ) [Научно-технический вестник "Каротажник" - Тверь, выпуск 64, 1999, с. 11-113].

В связи с расширением работ в глубоких высокотемпературных скважинах по добыче газа и нефти с температурой на забое до 240^oС и выше предлагается использовать смесевое топливо, поскольку применение штатных нитроцеллюлозных зарядов в связи с их низкой термостойкостью становится невозможным.

Традиционно смесевое твердое топливо (СТТ) состоит из окислителя (например, перхлорат аммония или перхлорат калия) и горюче-связующего (ГС), например синтетического каучука, обладающего сравнительно небольшой термостойкостью и требующего проведения в процессе изготовления СТТ вулканизации, что усложняет технологический процесс, повышает его опасность и снижает термостойкость ГС из-за введения вулканизирующих систем.

Известен состав смесевой композиции: ПХА 72%, сополимер бутадиенкаучука и акриловой кислоты 18,8%, Al 9,0% и MgO 0,2%. [Чазов Г.А. и др. Термогазохимическое воздействие на малодебитные и осложненные нефтяные скважины. - М.: Недра, 1986, с. 150].

Недостатками известного состава является низкая термостойкость. Известно, что без системы ингибирования перхлорат аммония начинает разлагаться уже при температуре 160-180^oС. Кроме того, невозможно изготавливать заряды на основе сополимера бутадиенкаучука и акриловой кислоты без длительной и опасной стадии отверждения (вулканизации).

Известен способ изготовления ПП, включающий следующие операции: смешение пироксилина с легколетучим растворителем, прессование при давлении 30-50 МПа, предварительное провяливание в течение 24-48 часов до содержания растворителя около 35%, резку, второе провяливание с остаточным количеством растворителя до 15%, сортировку, вымочку в течение длительного времени, сушку. [Горст А.Г. Пороха и взрывчатые вещества. - М.: Машиностроение, 1972, с. 152-155].

Недостатками известного способа изготовления является невозможность получения пороховых элементов больших диаметров в связи с трудностью удаления легколетучего растворителя, сложность и длительность технологического процесса, прессование при высоких давлениях (до 30 МПа).

Известен способ изготовления баллиститных порохов (БП) и ракетных твердых топлив (РТТ) с использованием труднолетучего растворителя, включающий следующие операции: смешение компонентов, варка пороховой массы, термомеханическая обработка (вальцевание), формование (либо проходным прессованием, либо методом литья), концевые операции (торцевание, дефектоскопия, обточка. . . ) [В. К. Марьин, В.П. Зеленский и др. Пороха, ракетные твердые топлива и взрывчатые вещества. - М.: МО, 1992, с. 49-55].

Недостатками известного способа изготовления являются взрывоопасность на фазе вальцевания, затруднения в получении топливных зарядов больших размеров (в зарядах больших диаметров большая вероятность разноплотности и возможно образование раковин, нарушающих нормальное горение), длительность и сложность технологического процесса.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления СТТ, которое представляет собой смешение компонентов, формование изделия и его отверждение (вулканизацию). Выбор того или иного способа смешения и формования обусловлен уровнем реологических и взрывчатых характеристик СТТ, которые в свою очередь связаны с химической природой полимерного горюче-связующего (ГС) и окислителя. Компоненты ГС подвергаются предварительному смешению и вакуумированию для удаления летучих продуктов. Смешение всех компонентов - получение топливной массы - осуществляется в смесителях. Полученная в смесителе вязкотекучая топливная масса поступает на формование зарядов. Формование осуществляется методом заливки. В последующем происходит отверждение зарядов, которое осуществляется за счет полимеризации или вулканизации связующего при повышенной температуре. Отвержденные заряды охлаждаются и подвергаются окончательной обработке, дефектоскопированию, механической обработке, бронировке [В.К. Марьин, В.П. Зеленский и др. Пороха, ракетные твердые топлива и взрывчатые вещества. - М.: МО, 1992, с. 63-65].

Недостатками известного способа изготовления является длительность отверждения, проходящего при повышенных температурах, сложность и опасность технологического процесса.

Задачей данного изобретения является разработка состава для блочного заряда с высоким уровнем термостойкости и способа получения блочного заряда, а также упрощение технологического процесса и повышение его безопасности за счет снижения давления прессования.

Поставленная задача решается разработкой состава, включающего окислитель, ГС и добавки, причем в качестве ГС содержит смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистирола, а в качестве добавок содержит N-N-дифенил-п-фенилендиамин и аммоний фосфорно-кислый однозамещенный при следующем соотношении компонентов, мас.%: Окислитель - 72,5-84,0 Смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистиролом - 14,5-26,0 N-N-Дифенил-п-фенилендиамин - 0,45-0,55 Аммоний фосфорно-кислый однозамещенный - 0,95-1,05 Поставленная задача также решается разработкой способа получения ТБЗ, в котором предварительно ГС растворяют в легколетучем растворителе, затем проводят смешение полученного раствора с окислителем и добавками, производят предварительное прессование для удаления части растворителя и формование заряда проходным прессованием с последующим провяливанием и сушкой зарядов. В качестве легколетучего растворителя можно использовать хлористый метилен или хлороформ. В качестве окислителя можно использовать перхлорат аммония или перхлорат калия.

Перхлорат аммония, ПХА (ТУ 6-02-548-78), перхлорат калия, ПХК (ТУ 6-02-627-78) являются наиболее распространенными окислителями для СТТ, имеют широкую и дешевую сырьевую базу. Смесь ДСТ-30 с полистиролом является термопластичным горюче-связующим. Термоэластопласт ДСТ-30 (ТУ 38-40-320-72) обладает свойствами вулканизируемых каучуков при эксплуатации и характеризуется легкостью переработки в изделия проходным прессованием. Для придания заряду необходимой жесткости в состав ГС вводится полистирол (ГОСТ 20282-74). В случае изготовления зарядов больших и малых диаметров отношение ДСТ-30 к полистиролу может составлять от 4:1 до 4:4 соответственно. N-N-дифенил-п-фенилендиамин-диафен ФФ (ТУ 6-14-206-77), аммоний фосфорно-кислый однозамещенный (ГОСТ 3771-64) являются ингибируюшими добавками. Диафен ФФ, являясь органическим соединением, подавляет термическую деструкцию ДСТ-30 и одновременно ингибирует терморазложение ПХА. Аммоний фосфорно-кислый однозамещенный, являясь неорганическим соединением эффективно ингибирует терморазложение ПХА и одновременно подавляет термическую деструкцию ДСТ-30. Комплексная система ингибирования, содержащая органическую и неорганическую добавки, позволяет обеспечить уровень термостойкости составов на основе ПХА до 240^oС, а на основе ПХК до 290^oС.

Предварительное растворение ГС в легколетучем растворителе, смешение полученного раствора с окислителями и добавками, затем предварительное прессование для удаления части растворителя, а затем формование проходным прессованием обеспечивает однородность массы, а следовательно однородность свойств по длине заряда. Кроме того, проходное прессование обеспечивает большую технологическую безопасность (невысокие давления прессования) и большую производительность за счет возможности создания непрерывного производства.

Для лучшего понимания сущности изобретения приводятся примеры.

Пример 1. Получение состава для ТБЗ и способ его изготовления.

Проводят растворение 190 г ДСТ-30 и 45 г полистирола в 300 мл хлористого метилена. В эту же массу для улучшения технологичности добавляют касторовое масло 2 г, сверх 100%. Растворение проводится при комнатной температуре в герметично закрывающейся емкости. Последующее смешение всех компонентов проводится в смесителе типа "Вернер-Пфлейдерер" или "Бекен-Дуплекс": к полученной массе добавляют 750 г перхлората аммония (ПХА), 5 г N-N-дифенил-п-фенилендиамина и 10 г аммония фосфорно-кислого однозамещенного. Смешение проводят в течение 40 мин. Затем останавливается мешатель, масса выгружается с помощью текстолитового шпателя в полиэтиленовый мешок и поступает на предварительное прессование массы, которое предназначено для удаления части растворителя и более тщательного усреднения. Массу продавливают через фильеры диаметром 1 мм. Эта фаза осуществляется на гидравлическом прессе системы Германа под давлением 8-10 МПа. При предварительном прессовании содержание растворителя в массе снижается с 26-27 до 14-15%.

Из полученной пороховой массы проходным прессованием при давлении 10-12 МПа получают ТБЗ требуемого диаметра. Затем проводят провяливание при температуре 18-20^oС в течение 10-12 часов. За время провяливания содержание растворителя снижается с 10-10,5 до 4-5%. 3атем осуществляют резку на резательном станке типа "Сан-Галля" и получают заряды требуемой длины. Сушка проводится в сушильных шкафах с водяным обогревом постадийно с постепенным повышением температуры от 30-60^oС до содержания растворителя не более 0,2%. Получают ТБЗ общей массой 1000 г.

Использование термопластичного связующего позволяет изготавливать термостойкие заряды больших диаметров до 50-150 мм горячим проходным прессованием (Тпр= 80^oС) практически в отсутствии растворителя в массе, получаемой после предварительного прессования.

Пример 2. Проводится аналогично примеру 1, где используется в качестве растворителя хлороформ.

Пример 3. Проводится аналогично примеру 1, 2, где в качестве окислителя используют перхлорат калия.

Основные характеристики ТБЗ приведены в таблице.

Заряд из состава по прототипу (ПХА-72%, сополимер бутадиенкаучука и акриловой кислоты 18,8%, А1 9,0% и MgО 0,2%) изготавливался по литьевой технологии (прототип), которая более опасна по сравнению с предлагаемым способом получения ТБЗ из-за присутствия длительной и опасной стадии отверждения.

Кроме того, заряд (прототип) имеет меньший порог термостойкости (Т_п) и большую температурную зависимость скорости горения (значение β_T) по сравнению с предлагаемым ТБЗ.

Порогом термостойкости (Т_п) называют максимальную температуру, которую может выдержать в заданных условиях заряд определенных форм и размеров без заметного изменения своих эксплуатационных характеристик в течение заданного времени, например 6 часов [ВНИИ геофизических методов разведки. Термостойкие взрывчатые вещества в условиях глубоких скважин. - М.: Недра, 1981, с. 14-19].

Сила пороха и температурный коэффициент скорости горения (β_T) определялись по результатам расчета опытной кривой "давление-время", полученной при манометрических испытаниях (ГОСТ 8.907-76).

Дульная скорость (V_g) определялась отстрелами ТБЗ из экспериментального баллистического ствола в условиях Раменского ВНИПИ "Взрывгеофизика".

Анализ данных таблицы показывает, что предлагаемые составы обладают высоким уровнем термостойкости и обеспечивают большую дульную скорость в случае применения их в пулевых перфораторах. Кроме того, они имеют низкую температурную чувствительность скорости горения (β_T на порядок ниже по сравнению со штатными нитратцеллюлозными порохами) и объясняется это совместным влиянием пористости и термомеханических характеристик компонентов ГС. [А. В. Косточко. Специальные полимеры и композиции. - Казань, 1999, с. 214].

Основными преимуществами заявляемого изобретения являются высокий уровень термостойкости состава, сокращение технологического процесса и обеспечения безопасности получения ТБЗ. Предлагаемый способ изготовления обеспечивает простоту и удобство в эксплуатации ТБЗ.

Формула изобретения

1. Состав термостойкого блочного заряда, включающий окислитель, горюче-связующее и добавки, отличающийся тем, что содержит в качестве горюче-связующего смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистирола, в качестве добавок - N-N-дифенил-n-фенилендиамин и аммоний фосфорно-кислый однозамещенный при следующем соотношении компонентов, мас. %: Окислитель - 72,5 - 84,0 Смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистирола - 14,5 - 26,0 N-N-дифенил-n-фенилендиамин - 0,45 - 0,55
Аммоний фосфорно-кислый однозамещенный - 0,95 - 1,05
2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют перхлорат аммония или перхлорат калия.

3. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве горюче-связующего используют смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистирола в соотношении 4: 1 - 4: 4.

4. Способ получения термостойкого блочного заряда путем смешения окислителя, горюче-связующего, добавок и формования заряда, отличающийся тем, что предварительно горюче-связующее растворяют в легколетучем растворителе, затем проводят смешение полученного раствора с окислителем и добавками, предварительное прессование для удаления части растворителя и формирование заряда проходным прессованием с последующим провяливанием и сушкой заряда.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве легколетучего растворителя используют хлористый метилен или хлороформ.

РИСУНКИ

Рисунок 1